专利名称：用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力的发电、变电或配电领域，尤其涉及一种用于抑制变压器中性点 直流偏磁现象的紧急保护电路装置。
.
背景技术：
随着我国经济社会的发展，高压直流(HVDC， High Voltage Direct Current)输电
系统在我国正得到越来越广泛的应用。为了实现远距离、大容量送电，将有更多超高 压乃至特高压直流工程建成并投入运行。
当直流输电系统采用单极大地回路方式运行时，巨大的直流电流与大地构成回 路。部分直流电流流经中性点接地的电力变压器等设备，在交流系统中形成回路，由 于直流偏磁效应，造成变压器铁芯高度饱和，交流电压波形严重畸变，并产生大量谐 波，导致变压器损耗增多、发热增加、噪声增大、振动增强等现象；电力变压器处于 非正常运行状态中，最终导致了对设备本身以及所在电力系统的干扰。
具体来说，经过测量和计算表明，流入变压器中性点的电流中的直流分量，会在 绕组中流动而形成直流偏磁，从而导致中性点接地的主变噪声异常。根据公式
如果在变压器初级绕组输入一个正弦波的交流电，正弦波的交流电在变压器铁心 便产生交变磁通，交变磁通也是对称的正弦波，而在次级绕组上的感应电压除了与线 圈的匝数比有关，主要和磁通的变化率成正比。而直流电流输入变压器便产生直流磁 通，直流磁通本身是不变化的，因此不会有感应电势产生。对称的交流正弦波的磁通 产生的励磁电流很小，而且也是对称的。但如果直流磁通叠加在交流磁通上，就会在 单方向产生一个较大的励磁电流，即所谓的偏磁。直流偏磁产生的最大电流是没有直 流分量时的3倍以上，这是由于变压器磁化曲线上部的非线性所引起的，此时变压器 处于饱和或过饱和状态。励磁电流的增加使变压器产生异常噪音。
此外，直流偏磁还会增加铁心的磁滞损耗，破坏硅钢片的绝缘，加速油劣化，在 变压器金属件如夹件、拉杆、油箱等中产生附加发热，引起结构件和绝缘材料的加速 劣化，最后导致绝缘事故。
为了限制直流输电单极运行时变压器的直流偏磁效应，除了使直流接地电极远离
中性点接地的电气设备外(io千米以上)，还需要采取抑制中性点流入直流电流的措
施。目前大致有三类方案
(1) 在变压器中性点产生反方向的直流电流，以抵消或削弱流入变压器中性点的地 中直流；
(2) 在变压器中性点串入电容器，利用电容器"隔直"的特性使得直流无法流入；
(3) 在变压器中性点串入小阻值电阻，将中性点流入的直流限制在工程上可以接受 的程度。
方案一的设计一般是在变压器中性点装设一个直流源，根据监测到的直流电流的 大小和方向，动态地调整其设置，实时提供一个大小相等、方向相反的直流电流。公 开号为CN1592062A的中国发明专利申请"抑制变压器直流磁偏的方法及控制器"中 所公开的技术方案的思路即是采用此类方案的方法。这种方法对于网络结构清楚，并 且流入中性点的直流电流大小和方向都能准确测量时，是有效果的；但该方法受系统 结构影响较大，如果系统结构发生变化，该方法的有效性就不能够得到保证。同时该 方法的造价较高，工程量较大，运行和维护费用也需要长期投资，进一步限制了该方 法的使用。
方法二在理论上是可行的，利用电容器"隔直通交"的作用，可以消除流过变压器 中性点的直流电流，同时又不妨碍交流电流的通过。公告号为CN200976492Y的中国 实用新型专利"接地变压器中性点直流电流抑制装置"即属于该类方案。但在实际操作 中会发生一些非正常情况，例如系统发生不对称接地故障，或者变压器遭受雷击时， 变压器中性点会流过很大的电流，同时产生暂态过电压。这就对串入的电容器提出了 较高的要求，并需要提供放电间隙与之相并联。由于要求较高，该方法在工程实际中 鲜为使用。
方法三原理简单，容易实现，公开号为CN1885658A的中国发明专利申请"一种 抑制交流变压器直流偏磁电流的装置"即属于该类方案。但实际设计时要注意一些问 题网络结构改变时要重新计算阻值，并更换电阻；系统发生故障时，变压器中性点 电位升高，产生过电压，要釆取防范措施等。
综上所述，目前的三种方案虽然原理可行，但在实际操作中总会遇到各种各样的 问题，存在其实施存在诸多限制，不能完全适应实际需要。'
.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏 磁的方法及其装置，其综合了上述三种方案的优点，可以有效地削弱流经变压器中性 点的直流电流，将其降低到设备正常运行所允许的范围以内，完全或几乎与系统结构 无关，不受电网结构变化带来的影响，正常运行时与主接地网相互独立，故障时两接 地网合二为一，保证了安全，且设计简单、造价低、工程量少、无需运行维护费用等 二次投资。
本发明的技术方案是提供一种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方
法，包括变电站主接地网和变压器的中性点，其特征是
在变电站主接地网之外再设置一由至少两组垂直接地极构成的变压器中性点专
用接地网，将变压器中性点的接地通道与变电站其它一次设备的接地通道相隔离； 变压器中性点专用接地网与变压器中性点之间电连接； 在变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间，设置一隔离装置； 当系统正常运行时，所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网通过隔离
装置相互独立运行，变压器中性点专用接地网为变压器中性点提供一个较高的接地电
阻，有效地将流入变压器中性点的直流电流限制在允许的范围以内，抑制直流偏磁现
象的产生；
当系统发生故障时，所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间的电 位差高于隔离装置的动作阀值，隔离装置即刻导通，从而短接上述两个接地系统，将 两组接地网并网运行，确保故障时该两个接地系统电连接成一个整体，为变压器中性 点提供一个较低的接地电阻；
当系统故障恢复后，由于所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间 的电位差低于隔离装置的动作阀值，隔离装置立即截止，再次将上述两个接地网分离 /独立，恢复相互独立运行状态。
其中，所述变压器中性点专用接地网的接地电阻为主接地网的5 10倍。
其所述隔离装置的动作阀值为变压器中性点的额定短路工频耐受电压。 其所述单根垂直接地极的接地电阻为
其中，p表示接地极所在土壤的电阻率，/表示垂直接地极的长度，r表示垂直接地极 的半径。
本发明还提供了一种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，包括变电 站主接地网和变压器的中性点，其特征是在变电站主接地网之外再设置一由多组垂 直接地极构成的变压器中性点专用接地网；变压器中性点专用接地网与变压器中性点 之间电连接；在变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间，设置一隔离装置。
进一步的，其专用接地网设置于主接地网附近，与主接地网水平分布排列，主接 地网与专用接地网的间距大于6米。
或者，其专用接地网设置于主接地网之下方，与主接地网垂直分布排列，主接地 网与专用接地网的间距大于3米。
其垂直接地极为圆柱形铜导体。
其隔离装置为避雷器。
其隔离装置安装在地面以上位置。
与现有技术比较，本发明的优点是
1. 采用专用接地网的结构，由于其电气结构相对独立，与变配电系统的电路拓扑 结构无关，所以无需考虑这种特殊设计给其它一次设备所带来的可能的影响，也不用 考虑变配电一次系统结构改变时对该专用接地网所带来的冲击。
2. 设置了隔离装置，在正常运行时，隔离装置将专用接地网与变电站主接地网相 隔离，各自独立运行；而出现故障时，隔离装置即刻导通，可以将两组接地网并网运 行，从而使其安全性与可靠性得到了提升。
3. 整体设计简单、造价低、工程量少、无需运行维护费用等二次投资。
图l是本发明的结构示意图2是专用接地网与主接地网垂直分布排列的示意图。
图中l为变压器，2为主接地网，3为变压器中性点专用接地网，4为隔离装置。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1中，本技术方案包括变电站主接地网2和变压器1的中性点，其发明点在于 .在现有的变电站主接地网之外再设置一由至少两组垂直接地极构成的变压器中性点
专用接地网3，将变压器中性点的接地通道与变电站其它一次设备的接地通道相隔离;
变压器中性点专用接地网与变压器中性点之间电连接；在变压器中性点专用接地网与
变电站主接地网之间，设置一隔离装置4。
其变压器中性点专用接地网的接地电阻为主接地网的5 10倍。 其隔离装置的动作阀值低于或等于变压器中性点的额定短路工频耐受电压。 当系统正常运行时，独立于变电站主接地网之外的变压器中性点专用接地网与变
电站主接地网通过隔离装置相互独立运行，变压器中性点专用接地网为变压器中性点
提供一个较高的接地电阻，有效地将流入变压器中性点的直流电流限制在允许的范围
以内，抑制直流偏磁现象的产生；
当系统发生故障时，所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间的电 位差高于隔离装置的动作阀值，隔离装置即刻导通，从而短接上述两个接地系统，将 两组接地网并网运行，确保故障时该两个接地系统电连接成一个整体，为变压器中性
'点提供一个较低的接地电阻；
当系统故障恢复后，由于所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间 的电位差低于隔离装置的动作阀值，隔离装置立即截止，再次将上述两个接地网分离 /独立，恢复相互独立运行状态。
由上可见，在正常运行时，该变压器中性点专用接地网与变电站主接地网通过隔 离装置相互独立，由于专用接地网设计了较大的接地电阻，可以将流入变压器中性点 的直流电流限制在一个较低的水平，从而抑制了直流偏磁现象的产生。
当发生故障时，专用接地网与主接地网之间的电位差高于隔离装置的阀值，隔离 装置即刻导通，从而可以暂时短接这两个接地系统，确保故障时这两个接地系统连接 成一个整体；而故障恢复后，隔离装置立即截止，再次将两个接地网独立开来。
其垂直接地极的尺寸依赖于专用接地网接地电阻的设计，根据接地极接地电阻计 算公式可以计算出垂直接地极的直径、长度以及数量。如下是一种利用平均电位法所 得到的单根垂直接地极的简单接地电阻计算公式
其中，p表示接地极所在土壤的电阻率，/表示垂直接地极的长度，r表示垂直接地极 的半径。
如果要得到更精确的计算结果，需要采用基于有限元方法的模拟电流法和镜像法 利用相应专业软件进行处理，在此不再叙述。
处于节约用地和便于施工等方面的考虑，变压器中性点专用接地网可设置于主接 地网附近。
变压器中性点专用接地网与现有的主接地网之间，可以有两种位置布局的实施方 式， 一为水平分布排列， 一为垂直分布排列。
本图所示布局结构所示为变压器中性点专用接地网与主接地网水平分布排列。
考虑到防止土壤击穿等因素，这两种方案中主接地网与专用接地网的间距均需要 通过计算来确定，其计算公式为
五
其中t4^为专用接地网最大电位峰值，￡则表示所在土壤的平均电场强度。
根据国家电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》
的规定，当c/的计算值小于3米时，应取值不小于3米。
根据申请人的试验和经验， 一般情况下，水平排列时间距D为6 18米时，可以 .达到较好的效果。
其垂直接地极为圆柱形铜导体。这主要是考虑到铜材的抗腐蚀性比较优异，深埋 地下后，无论是自然腐蚀还是电化学腐蚀，都有极强的保护性，同等条件下，它比镀 锌钢材寿命更长。
专用接地网的接地电阻应设计为主接地网的5 10倍，为了获得较大的接地电阻， 需要调整接地极周围土壤的电阻率。
当变电站地处沿海地区、冲积平原等地理位置时，由于土壤电阻率过低，需要采 取换土的方法或在周围土壤添加增阻剂；而变电站地处山区高原、砂质或多石土壤时， 有时由于电阻率过高，也需要采取换土或添加降阻剂的方法来取得合适的接地电阻。
由于接地极周围土壤电阻率的调整属现有技术，其具体方法在此不再叙述。
隔离装置为避雷器。为了增加其可靠性，隔离装置可采用两台避雷器并联而成， 避雷器的动作阀值应为变压器中性点的额定短路工频耐受电压。
隔离装置安装在地面以上位置。
专用接地网中的各种连线可选用150mm的铜铰线构成。
图2中，本图所示布局结构所示为变压器中性点专用接地网位于主接地网的下 方，与主接地网垂直分布排列。
根据国家电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 的规定，垂直排列时变压器中性点专用接地网与主接地网的间距D2选取大于3米。
其余同图1。
本技术方案中的变压器中性点专用接地网，将变压器中性点的接地通道与其它一 次设备的接地通道相隔离，从而可以针对变压器中性点接地时可能出现的特殊情况进 行特殊设计，并且由于其结构相对独立，与系统结构无关，所以不用考虑这种特殊设 计给其它一次设备所带来的可能的影响，也不用考虑系统结构改变时对该专用接地网 所带来的冲击。
同时考虑到可能出现的意外情况，本技术方案中另外设计了一套隔离装置，在正 常运行时，隔离装置将专用接地网与变电站主接地网相隔离，各自独立运行；而出现 故障时，隔离装置即刻导通，可以将两组接地网并网运行，从而使其安全性与可靠性 得到了提升。
由于本技术方案设置了一个与变电站主接地网相独立的、变压器中性点专用的、 接地电阻较大的接地网，以抑制流入变压器中性点的直流电流，防止因流入变压器中 性点的直流电流过大所引起的直流偏磁现象，从而避免了变压器可能出现的噪声增 大、振动增强、过热、波形畸变以及继电保护装置误动等问题，保证了变压器的安全 和系统的可靠运行。其专用接地网完全与电网的电路拓扑结构无关，故不受电网结构 变化的影响，同时为应对意外情况，还设有隔离装置，提高了安全可靠性，其设计简 单，造价低，工程量少，无需运行维护费用。
本发明可广泛用于电力系统的输、变、配电领域。
权利要求
1. 一种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方法，包括变电站主接地网和变压器的中性点，其特征是在变电站主接地网之外再设置一由至少两组垂直接地极构成的变压器中性点专用接地网，将变压器中性点的接地通道与变电站其它一次设备的接地通道相隔离；变压器中性点专用接地网与变压器中性点之间电连接；在变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间，设置一隔离装置；当系统正常运行时，所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网通过隔离装置相互独立运行，变压器中性点专用接地网为变压器中性点提供一个较高的接地电阻，有效地将流入变压器中性点的直流电流限制在允许的范围以内，抑制直流偏磁现象的产生；当系统发生故障时，所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间的电位差高于隔离装置的动作阀值，隔离装置即刻导通，从而短接上述两个接地系统，将两组接地网并网运行，确保故障时该两个接地系统电连接成一个整体，为变压器中性点提供一个较低的接地电阻；当系统故障恢复后，由于所述的变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间的电位差低于隔离装置的动作阀值，隔离装置立即截止，再次将上述两个接地网分离/独立，恢复相互独立运行状态。
2. 按照权利要求1所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方法，其特 征是所述变压器中性点专用接地网的接地电阻为主接地网的5 10倍。
3. 按照权利要求l所述的用于抑制变压器中性点直流偏磁现象的方法，其特征是 所述隔离装置的动作阀值低于或等于变压器中性点的额定短路工频耐受电压。
4. 按照权利要求l所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方法，其特 征是所述单根垂直接地极的接地电阻为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，/ 表示接地极所在土壤的电阻率，/表示垂直接地极的长度，r表示垂直接地极 的半径。
5. —种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，包括变电站主接地网和 变压器的中性点，其特征是在变电站主接地网之外再设置一由多组垂直接地极构成的变压器中性点专用接地网；变压器中性点专用接地网与变压器中性点之间电连接； 在变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间，设置一隔离装置。
6. 按照权利要求5所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，其特 征是所述的专用接地网设置于主接地网附近，与主接地网水平分布排列；所述的主接 地网与专用接地网的间距大于6米。
7. 按照权利要求5所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，其特 征是所述的专用接地网设置于主接地网之下方，与主接地网垂直分布排列；所述的主 接地网与专用接地网的间距大于3米。
8. 按照权利要求5所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，其特 征是所述的垂直接地极为圆柱形铜导体。
9. 按照权利要求5所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，其特 征是所述的隔离装置为避雷器。
10. 按照权利要求5所述的用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的装置，其 特征是所述的隔离装置安装在地面以上位置。
全文摘要
一种用单独接地网抑制变压器中性点直流偏磁的方法，属变配电领域。其在变电站主接地网之外再设置一由至少两组垂直接地极构成的变压器中性点专用接地网，将变压器中性点的接地通道与变电站其它一次设备的接地通道相隔离，变压器中性点专用接地网与变压器中性点之间电连接，在变压器中性点专用接地网与变电站主接地网之间，设置一隔离装置，出现故障时，隔离装置即刻导通，可以将两组接地网并网运行，本发明还提供了一种采用上述方法的装置。其专用接地网完全与电网的电路拓扑结构无关，不受电网结构变化的影响，提高了安全可靠性，其设计简单，造价低，工程量少，无需运行维护费用。可广泛用于电力系统的输、变、配电领域。
文档编号H02H7/28GK101383500SQ20081004019
公开日2009年3月11日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者坚 付, 冯远程, 吴忠明 申请人:上海市电力公司超高压输变电公司